KR101366737B1 - 번들 제거를 통한 실리콘 나노 및 마이크로 구조체의 무반사 특성이 향상된 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 번들 제거를 통한 실리콘 나노 및 마이크로 구조체의 무반사 특성이 향상된 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 포토 레지스트의 리소그래피 디자인에 따라 다양한 크기의 마이크로 와이어를 형성하고, 또한 습식 식각 용액의 농도와 침지 시간의 조절에 의해 다양한 크기 및 종횡비의 마이크로 와이어를 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
이를 위해 본 발명은 제1면과 제2면을 갖는 제1도전형 반도체 기판을 준비하는 단계; 제1도전형 반도체 기판의 제2면에 포토레지스트를 패터닝하는 단계; 포토레지스트와 대응하는 영역에는 마이크로 와이어가 형성되도록 하고, 포토레지스트와 대응하지 않는 영역에는 나노 와이어가 형성되도록, 반도체 기판을 제1무전해 식각하는 단계; 나노 와이어가 식각되어 평평한 홈부 영역이 형성되도록, 반도체 기판을 제2무전해 식각하는 단계; 마이크로 와이어 및 홈부 영역에 제2도전형 불순물을 도핑하는 단계; 반도체 기판의 제1면에 제1전극을 형성하는 단계; 및, 마이크로 와이어 및 홈부 영역에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
이를 위해 본 발명은 제1면과 제2면을 갖는 제1도전형 반도체 기판을 준비하는 단계; 제1도전형 반도체 기판의 제2면에 포토레지스트를 패터닝하는 단계; 포토레지스트와 대응하는 영역에는 마이크로 와이어가 형성되도록 하고, 포토레지스트와 대응하지 않는 영역에는 나노 와이어가 형성되도록, 반도체 기판을 제1무전해 식각하는 단계; 나노 와이어가 식각되어 평평한 홈부 영역이 형성되도록, 반도체 기판을 제2무전해 식각하는 단계; 마이크로 와이어 및 홈부 영역에 제2도전형 불순물을 도핑하는 단계; 반도체 기판의 제1면에 제1전극을 형성하는 단계; 및, 마이크로 와이어 및 홈부 영역에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
Description
본 발명의 일 실시예는 번들 제거를 통한 실리콘 나노 및 마이크로 구조체의 무반사 특성이 향상된 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지에 관한 것이다.
일반적으로 태양 전지는 PN 접합면을 갖는다. 이러한 PN 접합면에 빛을 비추면 전자와 정공이 발생하며, 이들은 P 영역과 N 영역으로 이동하며, 이 현상에 의해 P 영역과 N 영역 사이에 전위차(기전력)가 발생하고, 이때 태양 전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
이러한 태양 전지는 실리콘 반도체 재료를 이용하는 것과, 화합물 반도체 재료를 이용하는 것으로 크게 분류할 수 있다. 또한, 실리콘 반도체에 의한 것은 결정계와 비결정계로 분류된다.
현재, 태양광 발전 시스템으로 일반적으로 사용하고 있는 것은 실리콘 반도체가 대부분이다. 특히, 결정계 실리콘 반도체의 단결정 및 다결정 태양전지는 변환 효율이 좋고 신뢰성이 높아서 널리 사용되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 포토 레지스트의 리소그래피 디자인에 따라 다양한 크기의 마이크로 와이어를 형성하고, 또한 습식 식각 용액의 농도와 침지 시간을 조절하여 다양한 크기 및 종횡비의 마이크로 와이어를 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제1면과 제2면을 갖는 제1도전형 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 제1도전형 반도체 기판의 제2면에 포토레지스트를 패터닝하는 단계; 상기 포토레지스트와 대응하는 영역에는 마이크로 와이어가 형성되도록 하고, 상기 포토레지스트와 대응하지 않는 영역에는 나노 와이어가 형성되도록, 상기 반도체 기판을 제1무전해 식각하는 단계; 상기 나노 와이어가 식각되어 평평한 홈부 영역이 형성되도록, 상기 반도체 기판을 제2무전해 식각하는 단계; 상기 마이크로 와이어 및 홈부 영역에 제2도전형 불순물을 도핑하는 단계; 상기 반도체 기판의 제1면에 제1전극을 형성하는 단계; 및, 상기 마이크로 와이어 및 홈부 영역에 제2전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1무전해 식각 단계는 상기 반도체 기판의 제1면에 보호막을 형성하고, 상기 반도체 기판을 질산은 용액과 불산 용액의 혼합 용액에 침지하는 제1침지 단계를 포함한다. 상기 질산은 용액은 5 내지 15mM 농도이고, 상기 불산 용액은 2mM 내지 8mM 농도일 수 있다. 상기 제1침지 단계 이후, 상기 질산은 용액으로부터 은 입자가 부착된 상기 반도체 기판을 과산화수소 용액과 불산 용액의 혼합 용액에 침지하는 제2침지 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2침지 단계의 상기 과산화수소 용액과 불산 용액은 각각 2mM 내지 8mM 농도일 수 있다. 상기 제2침지 단계에 의해 상기 나노 와이어가 형성되고, 상기 제2침지 단계는 1분 내지 12분간 수행될 수 있다. 상기 제2침지 단계 이후, 상기 반도체 기판을 질산 용액과 물의 혼합 용액에 침지하여 상기 은 입자를 제거하는 제3침지 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2무전해 식각 단계는 상기 반도체 기판을 수산화칼륨 용액과 물의 혼합 용액에 침지하여, 상기 나노 와이어가 식각되어 평평한 홈부 영역이 형성되도록 하여 이루어질 수 있다.
상기 마이크로 와이어는 폭이 1 내지 3㎛이고, 높이가 3 내지 5㎛일 수 있다.
또한, 본 발명은 위에 기재된 방법으로 제조된 태양 전지를 개시한다.
즉, 본 발명에 따른 태양 전지는 제1도전형 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상면에 바둑판 라인 또는 매트릭스 형태로 형성된 다수의 마이크로 와이어; 상기 마이크로 와이어의 외측에 형성된 평평한 홈부 영역; 상기 마이크로 와이어 및 홈부 영역의 표면에 제2도전형 불순물이 도핑되어 형성된 제2도전형 불순물 도핑 영역; 상기 반도체 기판의 하면에 형성된 제1전극; 및 상기 제2도전형 불순물 도핑 영역의 표면에 형성된 제2전극을 포함한다.
본 발명의 일 실시예는 포토 레지스트의 리소그래피 디자인에 따라 다양한 크기의 마이크로 와이어를 형성하고, 또한 습식 식각 용액의 농도와 반도체 기판의 침지 시간을 조절하여 다양한 크기 및 종횡비의 마이크로 와이어를 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 고가인 동시에 많은 공정 시간이 필요한 건식 식각 방법이 아닌 저가인 동시에 작은 공정 시간이 필요한 습식 식각 방법을 이용하여 마이크로 와이어를 갖는 태양 전지의 제조 방법 및 이를 갖는 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 다수의 마이크로 와이어에 의해 입사된 빛의 반사도가 종래의 평판형 구조에 비해 현저히 낮고, 따라서 고효율인 태양 전지의 제조 방법 및 이를 갖는 태양 전지를 제공한다. 즉, 본 발명은 광흡수층을 기존의 평판형 구조로부터 다수의 마이크로 와이어 구조를 적용함으로써, 입사되는 빛의 경로가 증가하고, 이에 따라 광자 구속(photon confinement)과 같은 양자 효과 발생으로 전류값이 증가되며, 결국 효율이 증가한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 제1,2무전해 식각 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 무전해 식각 방법을 순차적으로 도시한 부분 단면도이다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 제1,2무전해 식각 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 무전해 식각 방법을 순차적으로 도시한 부분 단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대한 순서도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제1도전형 반도체 기판 준비 단계(S1), 포토 레지스트 패터닝 단계(S2), 제1무전해 식각 단계(S3), 제2무전해 식각 단계(S4), 제2도전형 불순물 도핑 단계(S5), PSG(PhosphorSilicate Glass) 제거 단계(S6), 에미터 식각 단계(S7), 제1전극 형성 단계(S8) 및 제2전극 형성 단계(S9)를 포함한다.
도 2a 내지 도 2i를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대한 순차 단면도가 도시되어 있다. 도 1을 함께 참조하여, 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제1도전형 반도체 기판 준비 단계(S1)에서는, 대략 평평한 제1면(111)(하면)과, 이의 반대면으로서 대략 평평한 제2면(112)(상면)을 갖는 제1도전형의 반도체 기판(110)이 준비된다. 일례로, 반도체 기판(110)은 P형 실리콘 반도체 기판일 수 있다. 즉, 실리콘 반도체 기판에 주기율표에서 13족 원소인 붕소(B) 또는 갈륨(Ga)과 같은 불순물이 도핑된 P형 실리콘 반도체 기판일 수 있다.
도면 중 두개의 나란한 점선은 반도체 기판(110) 중 생략된 영역을 의미하며, 점선의 바깥쪽 영역은 반도체 기판(110)의 둘레 영역(119)을 의미한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 포토 레지스트 패터닝 단계(S2)에서는, 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 일정 두께의 포토 레지스트(120)가 도포되고, 통상의 사진 식각 공정에 의해 포토 레지스트(120)가 패터닝된다. 여기서, 반도체 기판(110) 중 포토 레지스트(120)와 대응되는 영역에는 추후 마이크로 와이어(113)가 형성되고, 포토 레지스트(120)와 대응되지 않는 영역에는 추후 다수의 나노 와이어(114a)가 형성된다. 더불어, 이러한 포토 레지스트(120)의 패터닝 단계(S2) 이후에는 반도체 기판(110)의 제1면(111)에 일정 두께의 보호막(121)이 형성될 수 있다. 이러한 보호막(121)은 통상의 절연층, 금속층 및 이의 등가물 중에서 어느 하나일 수 있다. 물론, 보호막(121)은 하기할 습식 식각 용액과 반응하지 않은 재료이면 어느 것이나 좋다.
더불어, 이러한 포토 레지스트(120)는 평면의 형태가 바둑판 라인 형태 또는 매트릭스 형태일 수 있다. 즉, 반도체 기판(110) 중 네개의 둘레 영역(119) 내측에서 상기 포토 레지스트(120)는 다수의 바둑판 라인 형태 또는 매트릭스 형태로 형성된다. 다만, 본 발명의 이해를 위해, 도면에서는 패터닝된 2개의 포토 레지스트(120)가 도시되어 있을 뿐이다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 제1무전해 식각 단계(S3)에서는, 아래에서 다시 상세하게 설명하겠지만, 반도체 기판(110)이 일정 농도의 습식 식각 용액에 일정 시간 동안 침지됨으로써, 포토 레지스트(120)가 형성되지 않은 영역과 대응하는 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 다수의 나노 와이어(114a)가 형성된다. 물론, 상술한 바와 같이 포토 레지스트(120)가 형성된 영역과 대응하는 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 마이크로 와이어(113)가 형성됨은 당연하다. 이와 같이 하여, 반도체 기판(110)의 제2면(112)에는 다수의 마이크로 와이어(113) 및 다수의 나노 와이어(114a)가 형성된다. 여기서, 마이크로 와이어(113)는 폭이 마이크로 미터 단위이고, 나노 와이어(114a)는 폭이 나노 미터 단위임을 의미한다.
좀더 구체적으로, 마이크로 와이어(113)는 폭이 대략 1 내지 3㎛이고, 높이가 대략 3 내지 5㎛일 수 있다. 또한, 나노 와이어(114a)는 폭이 대략 1 내지 100㎚이고, 높이가 대략 1 내지 3㎛일 수 있다. 그러나, 이러한 수치는 본 발명의 이해를 위한 일례일 뿐이며, 이는 포토 레지스트(120)의 디자인이나, 습식 식각 용액의 농도 및 침지 시간의 조절에 의해 변경될 수 있다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 제2무전해 식각 단계(S4)에서는, 아래에서 다시 상세하게 설명하겠지만, 반도체 기판(110)이 일정 농도의 습식 식각 용액에 일정 시간 동안 침지됨으로써, 나노 와이어(114a)가 모두 제거되고 대신 대략 평평한 홈부 영역(114)가 형성된다. 즉, 마이크로 와이어(113)의 외측에 대략 평평한 홈부 영역(114)가 형성된다. 물론, 이러한 홈부 영역(114)은 나노 와이어(114a)가 식각되어 형성된 것이기 때문에, 대략 평평하지 않고 울퉁 불퉁한 표면을 가질 수 있다. 즉, 홈부 영역(114)은 엠보싱 형태 또는 요철 형태일 수 있다.
여기서, 나노 와이어의 제거 공정을 번들 제거 공정으로 이해해도 좋다.
더불어, 이러한 제2무전해 식각 단계(S4) 이후 포토 레지스트(120) 및 보호막(121)은 반도체 기판(110)으로부터 제거된다. 물론, 경우에 따라 보호막(121)은 도핑 공정 이후에 제거될 수 있다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 제2도전형 불순물 도핑 단계(S5)에서는, 마이크로 와이어(113) 및 홈부 영역(114)에 제2도전형 불순물이 도핑됨으로써, 반도체 기판(110)에 제2도전형 불순물 도핑 영역(115)이 형성된다. 즉, 반도체 기판(110)에 PN 접합 영역이 형성된다. 일례로, 주기율표에서 15족 원소인 인(P), 비소(As) 또는 안티모니(Sb)와 같은 불순물이 마이크로 와이어(113) 및 홈부 영역(114)에 도핑될 수 있다. 더불어, 도핑 깊이는 대략 0.5㎛ 정도 될 수 있기 때문에, 마이크로 와이어(113)에는 라디알(radial) 형태의 PN 접합 영역이 형성되고, 홈부 영역(114)에는 평판 형태의 PN 접합 영역이 형성된다. 다르게 설명하면, 제2도전형 불순물 도핑 영역(115) 또는 PN 접합 영역은 단면의 형태가 대략 구형파 형태, 사인파 형태, 또는 사각파 형태로 형성된다.
따라서, 전자와 정공을 형성하는 PN 접합 영역의 면적이 종래의 평판 구조에 비해 상대적으로 증가함으로써, 태양 전지의 효율이 증가함을 알 수 있다.
한편, 인(P)이 함유된 화합물을 이용하여 도핑 공정이 진행될 경우, 반도체 기판(110)의 표면에는 PSG(116)(PhosphorSilicate Glass)가 형성될 수 있는데, 이는 다음 공정에서 제거되어야 한다. 물론, 인(P) 이온을 직접 반도체 기판(110)에 주입할 경우에는 이러한 PSG 제거 공정이 필요하지 않다.
도 2f에 도시된 바와 같이, PSG(PhosphorSilicate Glass) 제거 단계(S6)에서는, 반도체 기판(110)의 전면(상면, 하면 및 측면)을 감싸고 있는 PSG(116)가 통상의 식각 용액에 의해 제거된다.
도 2g에 도시된 바와 같이, 에미터 식각 단계(S7)에서는, 반도체 기판(110)의 전면(상면, 하면 및 측면)이 일정 깊이까지 식각된다. 특히, 반도체 기판(110)의 하면 및 측면에 형성된 PN 접합 영역이 식각되어 제거됨으로써, 태양 전지의 동작 중 누설 전류가 최소화되도록 한다.
이와 같이 하여, 반도체 기판(110)의 하면에는 예를 들면 제1도전형 영역(P형 영역)만 존재하고, 상면에는 요철 형태의 제2도전형 영역(N형 영역)이 존재하게 된다.
도 2h에 도시된 바와 같이, 제1전극 형성 단계(S8)에서는, 반도체 기판(110)의 제1면(111)에 제1전극(117)이 형성된다. 일례로, 반도체 기판(110)의 제1면(111)에 알루미늄 및 그 등가물 중에서 선택된 하나가 스크린 프린팅되어 제1전극(117)이 형성된다. 여기서, 제1전극(117)은 콜렉터 전극을 의미한다.
도 2i에 도시된 바와 같이, 제2전극 형성 단계(S8)에서는, 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 형성된 마이크로 와이어(113) 및 홈부 영역(114)의 표면에 제2전극(118)이 형성된다. 좀더 엄밀히 말하면, 마이크로 와이어(113) 및 홈부 영역(114)에 형성된 제2도전형 불순물 도핑 영역(115)의 표면에 제2전극(118)이 형성된다. 일례로, 제2도전형 불순물 도핑 영역(115)의 표면에 실버 및 그 등가물 중에서 선택된 하나가 스크린 프린팅되어 제2전극(118)이 형성된다. 여기서, 제2전극(118)은 에미터 전극을 의미한다.
이와 같이 하여 본 발명에 따른 태양 전지(100)는 제1도전형 반도체 기판(110), 반도체 기판(110)의 상면에 바둑판 라인 또는 매트릭스 형태로 형성된 다수의 마이크로 와이어(113), 마이크로 와이어(113)의 외측에 형성된 홈부 영역(114), 마이크로 와이어(113) 및 홈부 영역(114)의 표면에 제2도전형 불순물이 도핑되어 형성된 제2도전형 불순물 도핑 영역(115), 반도체 기판(110)의 하면에 형성된 제1전극(117), 제2도전형 불순물 도핑 영역(115)의 표면에 형성된 제2전극(118)을 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 태양 전지(100)는 하나의 반도체 기판(110) 위에 마이크로 와이어(113)가 바둑판 라인 또는 매트릭스 형태로 형성되고, 마이크로 와이어(113)에는 평판 형태가 아닌 라디알(radial) 형태로 PN 접합 영역이 형성된다. 더욱이, 마이크로 와이어(113)의 외측에 대략 평평하거나 또는 요철 형태의 홈부 영역(114)가 형성되며, 이러한 홈부 영역(114)에는 대략 평판 형태의 PN 접합 영역이 형성된다. 이에 따라, 전반적으로 PN 접합 영역이 요철 형태로 형성되고, 따라서 PN 접합 면적이 증가됨으로써 태양 전지의 효율이 향상된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 제1,2무전해 식각 방법에 대한 순서도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 우선 제1무전해 식각 방법은 제1침지 단계(S31), 제2침지 단계(S32) 및 제3침지 단계(S33)를 포함한다. 물론, 제3침지 단계(S33) 이후 제2무전해 식각 단계(S4)가 수행된다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 제1,2무전해 식각 방법에 대한 부분 단면도가 도시되어 있다. 도 3을 함께 참조하여, 제1,2무전해 식각 방법을 설명한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제1무전해 식각 단계(S3) 중 제1침지 단계(S31)에서는, 질산은(AgNO3) 용액 및 불산(HF) 용액의 혼합 용액에 반도체 기판(110)의 침지됨으로써, 포토 레지스트(120) 및 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 다수의 은 입자(123)들이 물리적으로 결합된다. 여기서, 질산은 용액은 대략 5 내지 15mM 농도이고, 불산 용액은 대략 2mM 내지 8mM 농도일 수 있다. 더불어, 이러한 용액의 농도 및 반도체 기판(110)의 침지 시간이 적절히 조절됨으로써, 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 형성되는 은 입자(123)의 양이 적절히 조절될 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제1무전해 식각 단계(S3) 중 제2침지 단계(S32)에서는, 과산화 수소(H2O2) 용액 및 불산 용액의 혼합 용액에 상술한 바와 같이 은 입자(123)가 결합된 반도체 기판(110)이 침지됨으로써, 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 다수의 나노 와이어(114a)가 형성된다. 여기서, 포토 레지스트(120)는 과산화 수소(H2O2) 용액 및 불산 용액의 혼합 용액에 반응하지 않음은 당연하다.
또한, 여기서, 과산화수소 용액과 불산 용액은 각각 대략 2mM 내지 8mM 농도일 수 있다. 또한, 이러한 침지 시간은 대략 1분 내지 12분간 수행될 수 있다. 일례로, 반도체 기판(110)이 상기 혼합 용액에 대략 2분간 침지되었을 때 대략 2.5㎛의 깊이를 갖는 나노 와이어(114a)가 형성되었고, 대략 6분간 침지되었을 때 대략 5㎛의 깊이를 갖는 나노 와이어(114a)가 형성되었으며, 대략 10분 침지되었을 때 대략 7.5㎛의 깊이를 갖는 나노 와이어(114a)가 형성되었음을 관찰하였다.
이와 같이 은 입자(123)와 반도체 기판(110)의 접촉 영역에서 상대적으로 빠르게 진행되는 식각 현상은 좀더 연구가 진행되어야 명확해지겠지만, 본 발명자들의 생각으로는 식각 용액이 은과 실리콘의 계면에서 격렬한 산화 반응이 일어나도록 촉진하여 발생되는 현상으로 이해된다.
한편, 이와 같은 현상에 의해 나노 와이어(114a)와 나노 와이어(114a)의 골(valley)에는 은 입자(123)가 잔존하게 되며, 이러한 은 입자(123)는 누설 전류를 억제하기 위해 제거될 필요가 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 제1무전해 식각 단계(S3) 중 제3침지 단계(S33)에서는, 질산(HNO3) 용액과 물(H2O)의 혼합 용액에 상술한 바와 같이 나노 와이어(114a)가 형성된 반도체 기판(110)이 침지됨으로써, 나노 와이어(114a)와 나노 와이어(114a)의 골에 존재하는 은이 제거된다. 여기서, 질산 용액과 물의 부피비는 대략 3:1일 수 있으나, 이러한 부피비로 본 발명이 한정되지 않는다
도 4d에 도시된 바와 같이, 제2무전해 식각 단계(S4)에서는, 반도체 기판(110)을 수산화칼륨(KOH) 용액과 물의 혼합 용액에 침지하여, 나노 와이어(114a)가 식각되어 평평하거나 또는 요철 형태의 홈부 영역(114)이 형성되도록 한다.
여기서, 수산화칼륨 용액과 물의 부피비는 대략 1:10일 수 있으나, 이러한 부피비로 본 발명이 한정되지 않는다. 또한 수산화칼륨 용액과 물의 중량비는 대략 10wt%: 90wt%일 수 있으나, 이러한 중량비로 본 발명이 한정되지 않는다. 물론, 이러한 수산화칼륨 외에 염산이나 질산도 이용될 수 있으나, 본 발명자는 나노 와이어(114a)의 제거에 수산화칼륨이 가장 적합함을 파악하였다.
또한, 반도체 기판(110)의 침지 시간은 대략 30 내지 40초가 적절하다. 침지 시간이 대략 30초보다 작은 경우에는 나노 와이어(114a)가 충분히 제거되지 않고, 또한 침지 시간이 대략 40초보다 큰 경우에는 나노 와이어(114a)가 과도하게 제거된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 일 실시예는 포토 레지스트(120)의 리소그래피 디자인에 따라 다양한 크기의 마이크로 와이어(113)를 형성하고, 또한 습식 식각 용액의 농도와 반도체 기판(110)의 침지 시간 조절에 의해 다양한 크기 및 종횡비의 마이크로 와이어(113)를 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 고가인 동시에 많은 공정 시간이 필요한 건식 식각 방법이 아닌 저가인 동시에 작은 공정 시간이 필요한 습식 식각 방법을 이용하여 마이크로 와이어(113)를 갖는 태양 전지의 제조 방법 및 이를 갖는 태양 전지를 제공한다. 즉, 기존의 건식 식각 장치인 ICP(Inducted Coupled Plasma) 장치 및 RIE(Reactive Ion Etching) 장치는 모두 진공 환경에서 공정을 진행하기 때문에 고가이고, 클린 룸에서 운용되기 때문에 과도한 유지 보수 비용이 소요되었으나, 본 발명에서는 통상의 습식 식각 공정이 이용됨으로써 저렴하게 태양 전지를 제조할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 다수의 마이크로 와이어(113)에 의해 입사된 빛의 반사도가 종래의 평판형 구조에 비해 현저히 낮고, 따라서 고효율인 태양 전지의 제조 방법 및 이를 갖는 태양 전지를 제공한다. 즉, 본 발명은 광흡수층을 기존의 평판형 구조에서 다수의 마이크로 와이어(113)의 구조를 적용함으로써, 입사되는 빛의 경로가 증가하고, 이에 따라 광자 구속(photon confinement)과 같은 양자 효과 발생으로 전류값이 증가되며, 결국 효율이 증가한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
더불어, 본 발명의 일 실시예는 PN 접합 영역이 요철 형태, 구형파 형태, 사인파 형태, 사각파 형태 등으로 형성됨으로써, 종래 구조에 비해 PN 접합 영역이 현저히 증가하고, 이에 따라 효율이 증가한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명에 따른 태양 전지
110; 반도체 기판 111; 제1면
112; 제2면 113; 마이크로 와이어
114a; 나노 와이어 114; 평평한 홈부 영역
115; 제2도전형 불순물 도핑 영역
116; PSG 117; 제1전극
118; 제2전극 119; 둘레 영역
120; 포토 레지스트 121; 보호막
123; 은 입자
110; 반도체 기판 111; 제1면
112; 제2면 113; 마이크로 와이어
114a; 나노 와이어 114; 평평한 홈부 영역
115; 제2도전형 불순물 도핑 영역
116; PSG 117; 제1전극
118; 제2전극 119; 둘레 영역
120; 포토 레지스트 121; 보호막
123; 은 입자
Claims (10)
- 제1면과 제2면을 갖는 제1도전형 반도체 기판을 준비하는 단계;
상기 제1도전형 반도체 기판의 제2면에 포토레지스트를 패터닝하는 단계;
상기 포토레지스트와 대응하는 영역에는 마이크로 와이어가 형성되도록 하고, 상기 포토레지스트와 대응하지 않는 영역에는 나노 와이어가 형성되도록, 상기 반도체 기판을 제1무전해 식각하는 단계;
상기 나노 와이어가 식각되어 평평한 홈부 영역이 형성되도록, 상기 반도체 기판을 제2무전해 식각하는 단계;
상기 마이크로 와이어 및 홈부 영역에 제2도전형 불순물을 도핑하는 단계;
상기 반도체 기판의 제1면에 제1전극을 형성하는 단계; 및,
상기 마이크로 와이어 및 홈부 영역에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1무전해 식각 단계는
상기 반도체 기판의 제1면에 보호막을 형성하고, 상기 반도체 기판을 질산은 용액과 불산 용액의 혼합 용액에 침지하는 제1침지 단계를 포함하며,
상기 제1침지 단계 이후, 상기 질산은 용액으로부터 은 입자가 부착된 상기 반도체 기판을 과산화수소 용액과 불산 용액의 혼합 용액에 침지하는 제2침지 단계를 포함함을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 질산은 용액은 5 내지 15mM 농도이고, 상기 불산 용액은 2mM 내지 8mM 농도인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2침지 단계의 상기 과산화수소 용액과 불산 용액은 각각 2mM 내지 8mM 농도인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2침지 단계에 의해 상기 나노 와이어가 형성되고, 상기 제2침지 단계는 1분 내지 12분간 수행됨을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2침지 단계 이후, 상기 반도체 기판을 질산 용액과 물의 혼합 용액에 침지하여 상기 은 입자를 제거하는 제3침지 단계를 포함함을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제2무전해 식각 단계는 상기 반도체 기판을 수산화칼륨 용액과 물의 혼합 용액에 침지하여, 상기 나노 와이어가 식각되어 평평한 홈부 영역이 형성되도록 하여 이루어짐을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로 와이어는 폭이 1 내지 3㎛이고, 높이가 3 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 기재된 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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